Методы и технологии обеззараживания питьевой воды и очищенных сточных вод

4.2. Методы и технологии обеззараживания питьевой воды и очищенных сточных вод

4.2.1. Химические методы обеззараживания воды

При растворении в воде хлор образует быстро распадающуюся хлорноватистую кислоту

В процессе распада хлорноватистая кислота диссоциирует на ионы HOCl  H⁺ + OCl^-.

Выделяющийся далее при распаде OCl^- атомарный кислород оказывает наибольший бактерицидный эффект. При обработке воды диоксидом хлора ClO₂ процент оставшихся жизнеспособных клеток бактерий на порядок меньше, чем при применении газ-хлора в той же концентрации при одинаковом времени контакта. Высокий антимикробный эффект ClO₂ проявляется в дозах от 0,1 до 0,5 мг/дм³, в зависимости от концентрации взвешенных веществ. Однако увеличение загрязнённости воды органическими соединениями во взвешенном и растворённом состояниях уменьшает инактивирующее действие диоксида хлора и для более надёжного обеззараживания воды требуется повышение дозы реагента в 2-4 раза. Недостатками применения ClO₂ при обработке воды является, с одной стороны, образование побочных продуктов - хлоритов и хлоратов, по данным ВОЗ отнесённым к метгемоглобинобразующим соединениям, с другой стороны, сложность и дороговизна получения диоксида хлора, его взрывоопасность.

Несмотря на высокую эффективность в отношении патогенных бактерий, отсутствие после обработки повторного роста этих бактерий, хлорирование при дозе остаточного хлора 1,5 мг/дм^З не обеспечивает необходимой эпидемической безопасности в отношении вирусов, цист простейших и лямблий. Известно существование хлоррезистентной микрофлоры: хлорустойчивых форм E.coli, Pseudoтoпodaceae, Klebsiellae, Рrоtеае, относящихся к условнопатогенным и патогенным микроорганизмам - являющихся стабильными контаминантами городских систем водоснабжения и водоотведения.

Применение хлорирования снижает бактериальное загрязнение воды, но сохраняет опасность заражения вирусами и имеет негативные экологические последствия. Негативным свойством хлорирования является образование хлорорганических соединений: тригалогенметанов, хлорфенолов, п-нитрохлорбензолов, хлораминов, а также диоксидов, образующихся при взаимодействии природных фенольных соединений, находящихся в воде водоёмов, с хлором, вводимым в неё. Хлорорганические соединения, по данным многочисленных исследователей, по отношению к человеку обладают высокой токсичностью, мутагенностью и канцерогенностью. Они способны накапливаться в донных отложениях, тканях водных обитателей и, в конечном, счёте, попадать в организм человека. Они обладают высокой стойкостью к биологическому разложению и вызывают загрязнение рек на значительных расстояниях вниз по течению от места выпуска (сброса). При хлорировании образуются также хлорамины - вещества, даже при очень низких концентрациях вызывающие серьёзные физиологические изменения водных организмов и их гибель. Недавно выделены и идентифицированы новые соединения, такие как хлордибензопарадиоксины, фураны, обладающие высокой токсичностью к живым организмам, источниками загрязнения которыми являются промышленные производства, предприятия бытового обслуживания населения (химчистки), использующие продукцию хлорорганических производств. Диоксины и фураны являются биологически неокисляемыми веществами и не подвергаются очистке на действующих в настоящее время коммунальных и промышленных очистных сооружениях. Существенным недостатком хлорирования (особенно для крупных и средних очистных сооружений) является необходимость обеспечения высокой степени безопасности и надёжности хлорного хозяйства. В целях установления показаний для хлорирования воды источников, используемых для хозпитьево-го водоснабжения, а также для разработки основных положений по режиму хлорирования, производится предварительное санитарное и лабораторное обследование водоисточника, выполняемое в соответствии с программой, предусмотренной действующими нормативами.

Для установления рабочей дозы хлора для хлорирования, опытным путём производится определение эффекта обеззараживания воды и количества остаточного активного хлора, которое зависит от величины хлорпоглощаемости воды. Выбранная для обеззараживания воды рабочая доза хлора должна обеспечивать надлежащий бактерицидный эффект, т.е. количество кишечных палочек в обработанной воде должно быть не более 3 в 1 л, общее число бактерий - не более 100 в 1 мл после контактного периода воды с хлором (не менее 30 мин.). Содержание остаточного хлора при этом должно быть не менее 0,3 и не более 0,5 мг/л.

При хлорировании воды некоторых источников, преимущественно открытых, могут возникнуть затруднения, связанные с необходимостью получения надлежащего эффекта обеззараживания и в то же время соответствия воды гигиеническим требованиям в отношении органолептических свойств (запаха и вкуса). В таких случаях применяется тот или иной из специальных приёмов обеззараживания, к которым относятся следующие:

а) двойное хлорирование, т.е. введение хлора предварительно до очистных сооружений во всасывающие водоводы первого подъёма (обычно в дозах 3-5 мг/л) и окончательно после фильтров (обычно в дозах 0,7-2 мг/л); используется при высокой цветности исходной воды, при повышенном содержании в ней органических веществ и планктона;

б) хлорирование с преаммонизацией, т.е. введение в воду аммиака или его солей непосредственно перед введением хлора (обычно при соотношениях доз аммиака и хлора 1:4, 1:10). При этом обеззараживание обеспечивается за счёт связанного хлора (хлораминов). Метод используется для предупреждения специфических запахов, возникающих после обработки воды хлором. При преаммонизации контакт воды с хлором должен быть не менее 1 ч.;

в) перехлорирование, т.е. введение доз хлора 10-20 мг/л с последующим связыванием избытка хлора; применяется в случаях вынужденного использования водоисточников, бактериальное загрязнение которых превышает установленный предел, когда среднее количество кишечных палочек составляет более 10000 в 1 л воды, взятой в точке водозабора. Кроме того, применяется во избежание появления хлорфенольного запаха при наличии в исходной воде фенолов;

г) хлорирование послепереломными дозами, т.е. с учётом точки перелома на кривой остаточного хлора; при этом обеззараживание воды производится свободным хлором, который значительно эффективнее связанного хлора (хлораминов); применяется главным образом в случаях высокого бактериального загрязнения исходной воды;

д) использование двуокиси хлора также рекомендуется для повышения эффективности обеззараживания и предупреждения специфических запахов в воде.

Выбор того или иного приёма хлорирования, гарантирующего полное соответствие питье-вой воды нормативным требованиям, осуществляется администрацией водоочистной станции на основании санитарно-химических, санитарно-бактериологических и технологических анализов сырой и обработанной воды с учётом производственного опыта по её очистке и обеззараживанию. Администрация водопровода устанавливает основные положения по методике обработки воды хлором, которые включают схему использования хлора, дозировку реагентов и графики хлорирования, в зависимости от расхода воды. Эти основные положения согласовываются с местными органами ГСЭН. Лабораторно-производственный контроль над качеством воды на водоочистной станции и в распределительной сети обеспечивается администрацией водопровода, силами и средствами ведомственной лаборатории в соответствии с нормативными требованиями. Определение остаточного хлора перед подачей воды в сеть производится через каждый час, а в системах водоснабжения из открытых водоёмов - через каждые 30 мин; там же отбирается проба на бактериологический анализ не реже 1 раза в сутки, одномоментно с очередным определением остаточного хлора.

Санитарно-лабораторный контроль над эффективностью хлорирования воды, подаваемой водопроводом для хозяйственно-питьевых нужд, проводится структурным подразделением ГСЭН путём определения ОКБ и ТКБ и общего числа бактерий в наиболее характерных точ-ках водоразбора (ближайшие к насосной станции, наиболее удалённые, наиболее возвышенные, тупики, водоразборные колонки). Пункты отбора проб и частота анализов определяются графиками, утверждаемыми местными структурными подразделениями ГСЭН. Количественное определение остаточного активного хлора в воде выполняется йодометрическим методом или титрованием с метиловым оранжевым по ГОСТ 18190-72 «Вода питьевая. Методы определения содержания активного хлора», описание которых дано в Приложении 2. Йодометрический метод предпочтительнее при концентрациях активного хлора не менее 0,5 мг/л, титрование с метиловым оранжевым - при более низких концентрациях. Для определения остаточного хлора на крупных водопроводах целесообразно применять автоматические анализаторы, в частности, фотоэлектронные системы, обеспечивающие непрерывную регистрацию остаточного хлора в воде. В практике хлорирования появляется необходимость раздельно определять основные формы активного хлора, в частности, при хлорировании послепереломными дозами (свободный хлор) и при хлораммонизации (связанный хлор). Свободный хлор обладает сравнительно быстрым дезинфицирующим действием, тогда как связанный хлор менее эффективен. Для их раздельного количественного определения пользуются методом, основанным на применении парааминодиметиланилина (см. Приложение 2). Международными стандартами питьевой воды рекомендуется также ортотолидин-арсенитный метод, который в странах СНГ до настоящего времени не нашёл применения.

При выполнении работ по хлорированию воды соблюдаются меры по технике безопасности, указанные в Приложении 3. Условия хранения запасов хлора и аммиака должны отвечать требованиям действующих Санитарных правил и правил безопасности организации хлорного хозяйства. При этом аммиак должен храниться изолированно от хлора. Хранение запасов хлорной извести допускается только в неповреждённой стандартной упаковке, в закрытых складских помещениях, сухих, затемнённых и хорошо вентилируемых, при температуре воздуха не выше 20°С. Запрещается хранить в одном помещении с хлорной известью взрывчатые и огнеопасные вещества, смазочные масла, пищевые продукты, металлические изделия и баллоны с газом.

Органы ГСЭН при плановых обследованиях водопроводов, а также по анализам санитарно-эпидемиологических параметров качества воды, определяемым в лаборатории водопровода в соответствии с утверждённым графиком, проверяют соблюдение предприятием положений лабораторно-производственного контроля качества воды, в т.ч. выполнение технологии обеззараживания, принятой на предприятии. Все замечания и предложения по улучшению санитарного состояния головных сооружений водопровода, по методике обработки и улучшению качества воды вносятся в спецжурнал установленной формы, хранящийся на водопроводной станции. При отсутствии ведомственной лаборатории (на малых водопроводах) для производственного контроля над работой станции предусматривается штатная должность лаборанта, ведущего наблюдение за правильностью хлорирования и выполняющего простейшие анализы (содержание активного хлора в хлорной извести, в приготовленных хлорных растворах, определение остаточного хлора в воде и др.).

Известны также методы обеззараживания воды, сочетающие лучшие свойства известных дезинфектантов (хлора, диоксида хлора, озона). К ним относится технология обеззараживания воды раствором смеси оксидантов, вырабатываемой в электролизных установках. Однако при применении этой технологии следует учитывать описанные выше негативные стороны, свойственные входящим в состав смеси дезинфицирующим агентам.

На водоочистных станциях, где транспортировка, хранение и подготовка токсичного хлора связаны с трудностями, для хлорирования воды используется гипохлорит натрия NaClO. Его получают на станции в процессе электролиза раствора поваренной соли. Электролизная установка состоит из бака концентрированного раствора соли (растворного бака), электролизной ванны (электролизёра), бака-накопителя раствора гипохлорита, выпрямителя и блока управления. Растворных баков должно быть не менее двух, их суммарный объём должен обеспечить бесперебойную работу установки в течение 24 ч. При мокром хранении соли объём растворных баков принимается из расчёта 1,5 м³ на 1 т соли, Допускается хранение соли на складе в сухом виде, при этом толщина слоя соли не должна превышать 2 м. В растворном баке приготовляется раствор, близкий к насыщенному - 200-310 г/л. Для его перемешивания применяют механические устройства и циркуляционные насосы.

Электролизёры могут быть проточного и непроточного типов, более широко используют-ся последние. Они представляют собой ванну с установленным в ней пакетом пластинчатых электродов. Электроды, как правило, графитовые присоединяют в сеть постоянного тока. В электролизной ванне происходит диссоциация соли, а также воды. В результате реакции едкого натра NaOH с хлорноватистой кислотой HClO образуется гипохлорит натрия NaClO. В межэлектродном пространстве электролизёра непроточного типа плотность электролита в результате его насыщения пузырьками газа бывает меньше, чем в остальном объёме ванны, поэтому происходит циркуляция раствора - между электродами восходящее, в остальной ванне - нисходящее течение электролита. Циркуляция продолжается до полного электролиза всего раствора поваренной соли. Затем электролизная ванна опорожняется и заполняется новой порцией раствора NaCl. При работе электролизёра необходимо свести к минимуму распад образованного NaClO. Для этого процесс электролиза проводят при низкой температуре и большой плотности тока на аноде, воздерживаясь от перемешивания электролита в ванне.

Основным элементом системы электрохимической активации является электрохимиче-ский реактор (ЭХР). Химические процессы, протекающие в ЭХР, изменяют физические и химические свойства воды. В катодной камере вода обогащается высокоактивными восстановителями, что приводит к образованию нерастворимых гидроксидов металлов. Кроме того, в катодной камере происходит прямое восстановление многозарядных катионов. Эти процессы снижают токсичность воды, обусловленную наличием ионов тяжёлых металлов, во много раз. Окислительно-восстановительный потенциал (ОВП) катодной воды может достигать значения -800 мВ. Таким образом, без каких-либо химических добавок, при сохранении полной биосовместимости вода превращается в эффективный антиоксидант.

В анодной камере вода насыщается высокоэффективными окислителями. Из всех известных процессов разрушения органических веществ в воде наиболее мощным является электролитическое окисление у анода. Вредные органические примеси, такие как фенолы, микробные токсины и др., разлагаются на простые и безопасные вещества.

Высокий ОВП анодной воды (+1200мВ) и особые формы соединений активного хлора, образующиеся на аноде и участвующие в реакциях окисления, исключают образование токсичных хлорорганических веществ и обеспечивают полную окислительную деструкцию диоксинов. При электролизе воды на электродах происходит окисление и восстановление молекул воды. Микроорганизмы всех видов и форм подвергаются окислительной деструкции (уничтожаются) при анодной обработке воды, распадаясь на простые, нетоксичные составляющие, в частности, на воду и углекислый газ.

В то же время при использовании озона на больших станциях водоподготовки и водоочистки возникают проблемы технического и экономического характера, потребность в больших производственных площадях. Значительные эксплуатационные расходы при работе станции озонирования определяются, главным образом, высокой энергоёмкостью процесса синтеза озона (12-22 кВтч/кг производимого озона), вспомогательного оборудования (суммарное потребление электроэнергии станцией достигает 30-40 кВтч/кг озона и более), а также значительными затратами на содержание обслуживающего персонала.

В настоящее время возрос интерес и к пероксиду водорода, как обеззараживающему агенту, обеспечивающему осуществление экологически чистых процессов без образования токсичных продуктов, как при обработке сточной воды, так и питьевой воды. Однако установлено, что Н₂0₂ оказывает инактивирующее действие на бактерии только в довольно высоких концентрациях. Такие дозы приводят как к высоким затратам на обеззараживание, так и к сбросу сточных вод с повышенным содержанием пероксида водорода, для которого установлены жёсткие предельно допустимые концентрации: 0,1 и 0,01 мг/дм³ в водоёмах культурно-бытового и рыбохозяйственного назначения, соответственно.

Из щелочных реагентов ограниченное применение для обеззараживания сточных вод нашла известь. Известкование применяется обычно в сочетании с удалением аммонийного азота из сточных вод отдувкой. Необходимый гигиенический эффект при обработке сточных вод достигается при использовании больших доз реагентов, что сопровождается образованием огромного количества осадка. Этот факт, также как и сравнительно медленное действие на микрофлору, существенно ограничивает применение известкования и делает его неприемлемым для использования на средних и крупных станциях.

Мало распространённым реагентом является надуксусная (пероксиуксусная, перуксусная) кислота. Опытно-промышленные испытания в Англии показали её достаточно низкую эффективность, до сих пор этот метод не нашёл промышленного внедрения.

Ещё одним реагентом является «Дезавид-СТОК» - средство для очистки и обеззаражива-ния городских, промышленных, сточных и оборотных вод и систем охлаждения оборудования. Его основу представляют органические полимеры - хорошо растворимые в воде полиэлектролиты на основе гуанидиновых соединений, вызывающих гибель грамположительных и грамотрицательных бактерий, а также обладающих вирулицидным и фунгицидным действием. Присутствие в полимерах положительного заряда придаёт им свойства флокулянта катионного типа, что содействует улучшению органолептических свойств обрабатываемой воды. При испытаниях «Дезавид-СТОК» для обеззараживания речной воды в сравнении с хлором и гипохлоритом натрия эффект обеззараживания (в соответствии с «СанПиН») наблюдался при дозе 0,4 мг/л, а практически 100 %-ная инактивация таких микроорганизмов как ОМЧ, ОКБ, ТКБ, стафилококки, сальмонеллы, колифаги, Psendomonas Aeruginosae, сульфитредуцирующие клостридии наступала при одноразовой дозе препарата 1,5 мг/л (у хлора - 3-4 мг/л, у гипохлорита натрия - 2-2,5 мг/л). При дезинфекции сточных вод и вод ливнестока 100 %-ный бактерицидный эффект средства достигается уже после 10-минутной обработки. При этом значительно изменяется состав сточных вод: не только устраняются запахи и улучшается цветность, но и до 90 % снижается содержание легко окисляемых органических соединений, до 55 % - содержание фенолов и СПАВ, что приближает сточные воды по качеству к воде поверхностных водоёмов. По параметрам острой токсичности средство относится к 4 классу малоопасных веществ. Вследствие низкой летучести ингаляционно малоопасен. В используемых дозах не обладает сенсибилизирующим действием, не оказывает гонадотоксического, иммунотоксического, эмбриотоксического, мутагенного и канцерогенного эффекта.

Рекомендованная доза (1,5-8 мг/л) зависит от состава и свойств обеззараживаемых вод, технологии очистки и обеззараживания на конкретных очистных сооружениях. Время контакта не менее 60 минут. «Дезавид-СТОК» обладает следующими характеристиками:

• 
  не содержит токсичных компонентов типа хлор, альдегиды, фенолы и др.;
  
• 
  рН - 6±1;
  
• 
  абсолютно безвреден для обрабатываемых материалов;
  
• 
  обеспечивает долговременную защиту обрабатываемой поверхности от повторного заражения микроорганизмами;
  
• 
  не требует дополнительного оборудования очистных сооружений и изменения технологии обеззараживания воды;
  
• 
  эффективен при любом уровне загрязнения и качества обрабатываемой воды;
  
• 
  предотвращает биообрастание систем водоподготовки, трубопроводов и оборудования;
  
• 
  не вызывает нарушения процессов естественного самоочищения воды водных объектов (биофильтры, септики, аэротенки);
  
• 
  не образует токсичных канцерогенов;
  
• 
  обладает сильным флокулятивным эффектом;
  
• 
  расходуется в небольших дозах;
  
• 
  позволяет работать с ним людям без специальной подготовки и без средств индивидуальной защиты;
  
• 
  обладает длительным сроком хранения;
  
• 
  имеет низкие затраты на содержание и хранение, не требует специализированных предприятий для производства, специально оборудованных мест для хранения, специальных средств для транспортировки;
  
• 
  прост и безопасен в эксплуатации, хранении и транспортировке;
  
• 
  безопасен для человека, флоры, фауны и окружающей среды.
  

Жизнедеятельность клеток водорослей в оборотных системах оборудования подавляется при её наполнении раствором «Акватона» с концентрацией 0,2-1,0 мг/л. При наличии биообрастания (слизь, водоросли) полная очистка оборудования происходит при заполнении раствором 10-15 мг/л сроком на 1 сутки. Обеззараживание поверхностей происходит посредством адсорбции биоцидного полимера на различных объектах при их контакте с водными растворами, содержащими реагент. Это позволяет методом погружения предметов или наполнения ёмкостей добиться пролонгированной дезинфекции их поверхностей, что необходимо для обеспечения микробной чистоты при длительном хранении питьевой воды, её транспортировке. Параллельно в процессе флокуляции из подготовленной воды удаляется не только органика, но и другие соединения - соли тяжёлых металлов, уменьшается содержание гидрокарбонатов, сульфатов, что позволяет снизить мутность воды и концентрацию алюминия, железа, марганца в питьевой воде до требований стандарта. Сфера применения обеззараживающего реагента «Акватон» обусловлено тем, что он отвечает всем требованиям, предъявляемым к современным дезинфицирующим средствам: без остатка растворим в воде, его растворы бесцветны, не имеют запаха, не вызывают разрушения обрабатываемых материалов, в т.ч. коррозии металлов, не раздражают кожу и слизистые оболочки. Препарат длительно хранится, не теряя своих биоцидных свойств, при этом не требует особых условий транспортировки и хранения. Низкая токсичность «Акватона» для человека объясняется тем, что в организме теплокровных имеются ферментные системы, способные вызвать деградацию полимера, поэтому реагент не накапливается в организме человека и животных. Биоцидный полимер - естественно биоразлагаемое вещество, продуктом распада в живом организме и природе которого являются производные мочевины.